Lichtspeicherung in Atomaren Kohärenzen · o2003 „Gefangenes Licht“ (S. Yelin, Harvard) o2004 5ms (CfA) /2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und Eisaman, Harvard)

1 1 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung

Christian Stock

Lichtspeicherung in Atomaren

Kohärenzen

Im Rahmen des Seminars: Quantenoptik und nichtlineare Optik WS2010/2011

Christian Stock

2

oWiederholung

oGrundlagen

oExperimente

oChronik

oRb - Walsworth (2001)

oNa - Liu (2001)

oAusblick

15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung

Christian Stock

Gliederung

3 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung

Christian Stock

Wiederholung: EIT

Anforderungen

o 3-Niveau-System

o Kopplungs- und Nachweislaser

o |1 |2 Dipolverboten

o Geringe Dopplerverbreiterung

o Ω𝐾 > Zerfallskonstanten

o Zeitlich und Räumlich überlappende Lichtfelder

EIT Medium

Kopplungslaser

Nachweislaser


Christian Stock

Dispersion Absorption

Wiederholung: EIT

Verstimmung Verstimmung

5

|a0 = cos θ |1 − sin θ |2

HWW =

−ℏ

2

0 0 ΩN

0 0 ΩK

ΩN ΩK −∆


Christian Stock

H0 =

E1 0 00 E2 00 0 E3

Eigenzustände E1 ⇒ |1

E2 ⇒ |2

E3 ⇒ |3

|a+ = sin θ sinϕ|1 + cos θ sinϕ|2 + cosϕ|3

|a− = sin θ cosϕ|1 + cos θ cosϕ|2 − cosϕ|3

tan θ=ΩN

ΩK tan 2ϕ =

ΩN2 + ΩK

2

Δ

Dunkelzustand

Wiederholung: EIT

6 15. Dezember 2010 15. Dezember 2010

Gruppen- und Phasengeschwindigkeit

Wiederholung: Slow Light

Verstimmung

Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung

Christian Stock


Christian Stock


o geringe Absorption

o hohe Dispersion ~ 1

ΩK2

o vg =c

n+ng mit n = 1 und ng =

kc

ΩK2

o Verlangsamung und Stauchung des Nachweispulses

o Temporärer Energietransfer in Kohärenz und

Kopplungslaser

o Photonen + Kohärenz

Energietransfer

Polariton

𝐯𝐠~𝛀𝐊

8 15. Dezember 2010 15. Dezember 2010


o Tranparenzbreite ΔωF z ~ ΩK

o Spektrale Breite ΔωN z ≈ ΔωN 0

ΔωN

ΔωF Nachweisverstimmung


Christian Stock


Christian Stock

Grundlagen: Motivation

Motivation Lichtspeicherung

o Niedrige Gruppengeschwindigkeit

o Geringe Absorption trotz hoher Dispersion

o Stärkste Verlangsamung bei ca. 10m

s

o Problem bei kurzen Pulsen

Absorption


Christian Stock

Motivation Lichtspeicherung

o Bisher: Zeitlich konstantes Kopplungslichtfeld

Hau et al. (1999)

o Nun: Zeitlich veränderliches Kopplungslichtfeld

Grundlagen: Motivation

11 15. Dezember 2010

Zeit Kopplungspuls Auslesepuls

Grundlagen:

Inte

nsität

Signal Nachweispuls


Christian Stock

Verstimmung

1.

2. 3.

1. 2. 3.


Christian Stock

Ψ z, t =cos θ cΩN z, t − sin θ ϱρ21eiΔkz

Φ z, t =sin θ cΩN z, t + cos θ ϱρ21eiΔkz

Dunkelpolariton:

Leuchtpolariton:

tan² θ t = ϱg²

ΩK= ng

Lichtfeld Spin Kohärenz

Grundlagen: Das Polariton

Kohärenz


Christian Stock

𝜕

𝜕t+ c cos² θ(t)

𝜕

𝜕z Ψ z, t ~Φ z, t = 0

vg = c cos² θ(t)


tan² θ t = ϱg²

ΩK= ng


Christian Stock



Christian Stock

Atome müssen der Feldänderung folgen können!

ΩN2 + ΩK

2 ≫d

dt

ΩN(t)

ΩK(t)

Grundlagen: Adiabasiekriterium


Christian Stock

o Spektrale Breite ΔωN t ≈ ΔωN 0cos² θ(t)

cos² θ(0)

o Tranzparenzbreite ΔωF t = ΔωF 0cot² θ(t)

cot² θ(0)

o Verhältnis:

ΔωN t

ΔωF t≈

ΔωN 0

ΔωF 0

sin² θ(t)

sin² θ(0)

Grundlagen:

tan² θ t = ϱg²

ΩK= ng


Christian Stock

Experimente: Chronik

oUm 1990 EIT

o1999 Ultra-Langsames Licht 17m

s (Hau, Rowland Institute)

o2000 Lichtspeicherung (Fleischhauer, Lukin)

o2001 0,5ms in kaltem Natrium und warmen Rubidium

(L. Hau, Harvard Physics & Rowland / D. F. Phillips et

al., CfA)

o2002 Lichtspeicherung in Festkörpern (Hemmer et al., MIT)

Speicherung der Phaseninformation (A. Mair et al.,

Center for Astrophysics)


Christian Stock

o2003 „Gefangenes Licht“ (S. Yelin, Harvard)

o2004 5ms (CfA)

/2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und

Eisaman, Harvard)

o …

Experimente: Chronik


Christian Stock

Experimente: (Walsworth 2001)

D. F. Phillips et al., PRL 86, 783–786 (2001) und

A. Mair et al., PR A 65, 031802(R) (2002)


Christian Stock



Christian Stock



Christian Stock

Experimente: Liu(2001)

C. Liu

et al., Nature

409, 490 (2001)


Christian Stock



Christian Stock



Christian Stock



Christian Stock

Ausblick: Bildspeicherung

Bildspeicherung in 𝑅𝑏 87

M. Shuker et al., PRL 100, 223601 (2008)


Christian Stock

Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung


Christian Stock



Christian Stock


Bildspeicherung mit Rephasierung in Pr3: Y2SiO5

G. Heinze et al, PR A 81, 011401(R) (2010) und Master Thesis A. Rudolf


Christian Stock

Ausblick: Rephasierung und Stabilisierung

Lichtspeicherung mit Rephasierung in Pr3: Y2SiO5, J.J. Longdell et al, PRL 95, 063601 (2005)


Christian Stock

Ausblick: Einzelphoton-Speicherung


Christian Stock

Ausblick: Einzelphoton-Speicherung

M. D. Eisaman

et al, Nature

438, 837 (2005)


Christian Stock

Zusammenfassung

oEIT

o“Slow Light”

oPolariton

oAdiabasie

oKohärenz erhalten

oPhase erhalten


Christian Stock

Ende

Vielen Dank!

35

oMaster Thesis A. Rudolf (2009)

oDiploma Thesis G. Heinze (2008)

oDiploma Thesis F. Beil

oM. Fleischhauer et al., Electromagnetically induced transparency: Optics

in coherent media , Rev. Mod. Phys. 77, 633 (2005)

oG. Heinze, A. Rudolf, F. Beil, and T. Halfmann, Storage of images in

atomic coherences in a rare-earth-ion-doped solid, Phys. Rev. A. 81,

011401(R) (2010)

oC. Liu et al., Observation of coherent optical information storage in an

atomic medium using halted light pulses, Nature 409, 490 (2001)


Christian Stock

Quellen

36

oD.F. Phillips et al., Storage of Light in Atomic Vapor, PRL 86, 783-786

(2001)

oA. Mair et al., Phase coherence and control of stored photonic

information, Phys. Rev. A 65, 031802(R) (2002)

oR. Walsworth et al., THE STORY BEHIND “STOPPED LIGHT”, Optics &

Photonics News May 2002

oM. Shuker et al., Storing images in warm atomic vapor, PRL 100, 223601

(2008)

oM. Fleischhauer und M. D. Lukin, Quantum memory for photons: Dark-

state polaritons, PR A 65, 022314


Christian Stock

Quellen

37

oJ.J. Longdell et al, Stopped light with storage times greater than one

second using EIT in a solid, PRL 95, 063601 (2005)

oM. D. Eisaman et al, Electromagnetically induced transparency with

tunable single-photon pulses, Nature 438, 837 (2005)


Christian Stock

Quellen

Documents

Lichtspeicherung in Atomaren Kohärenzen · o2003 „Gefangenes Licht“ (S. Yelin, Harvard) o2004 5ms (CfA) /2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und Eisaman, Harvard)